阅读说明：本技术 基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器 (Permanent magnet synchronous motor speed controller based on novel extended state observer ) 是由 刘丙友 李兴 王力超 张峥峥 罗建 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器,包括线性跟踪微分控制器LTD、新型扩张状态观测器ESO、线性状态误差反馈控制律LSEF,所述线性跟踪微分控制器LTD接输入转速给定信号ω<Sub>ref</Sub>后安排过渡,获得光滑过渡信号<Image he="84" wi="116" file="DDA0002228192410000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>所述线性跟踪微分控制器LTD的输出信号<Image he="84" wi="93" file="DDA0002228192410000013.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>与所述新型扩张状态观测器ESO中的一个反馈信号<Image he="79" wi="75" file="DDA0002228192410000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>进行比较,得出系统误差e；将所述系统误差e作为所述线性状态误差反馈控制律LSEF的输入信号；将系统的总扰动扩张成一个状态,所述新型扩张状态观测器ESO观测总扰动并实时补偿,最终获得永磁同步电机的转速输出ω<Sub>r</Sub>。本发明解决了传统扩张状态观测器在观测初始阶段,在保证观测精度的同时可以有效抑制初始时刻的峰值现象,使转速响应无超调。(The invention discloses a permanent magnet synchronous motor speed controller based on a novel extended state observer, which comprises a linear tracking differential controller (LTD), a novel Extended State Observer (ESO) and a linear state error feedback control Law (LSEF), wherein the LTD is connected with an input rotating speed given signal omega ref Post-arranging the transition to obtain a smooth transition signal The output signal of the linear tracking derivative controller LTD And a feedback signal in the novel extended state observer, ESO Comparing to obtain a system error e; taking the system error e as an input signal of the linear state error feedback control law LSEF; expanding the total disturbance of the system into a state, observing the total disturbance by the ESO and compensating in real time to finally obtain the rotating speed output omega of the permanent magnet synchronous motor r . The invention solves the problem that the traditional extended state observer can effectively inhibit the peak phenomenon at the initial moment while ensuring the observation precision in the initial observation stage, so that the rotating speed response is not overshot.)

基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器

技术领域

本发明涉及一种基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器，属于控制器设计技术领域。

背景技术

永磁同步电机因其结构简单、效率高、功率密度大等特点，在电动汽车、工业伺服、航空航天和机器人等诸多领域得到广泛的应用。在永磁同步电机控制系统中，经典PID控制是应用最为广泛的一种线性控制策略。但是，由于永磁同步电机是一个非线性、多耦合且时变的被控对象，它的运行易受本身参数变化、外部负载扰动和许多其他不确定因素的影响。当系统对象的参数变化范围较大或非线性效应显著时，其应用受到限制，并且通过线性组合的方式常常会引起系统快速性和超调量间的矛盾。因此经典PID控制策略存在一定的缺点与不足。近年来，由韩京清教授提出的自抗扰控制技术在电机控制系统中的应用与发展，能有效的解决传统PID控制策略的弊端，并在提升电机控制系统的性能方面有很大的优越性，在电机控制领域受到了广大研究学者的广泛关注。

虽然自抗扰控制技术相比于传统控制系统具有更好的控制性能，但电机在实际运行中，随着运行的环境及运行点的变化，电机参数也会发生不同程度的改变，这就使得被控系统输入量产生一定的误差，给系统的控制带来很大难度，并且降低了系统的性能。

发明内容

本发明在自抗扰技术控制永磁同步电机伺服系统的基础上设计一种新型扩张状态观测器的优化结构，通过MATLAB/Simulink仿真验证可知，这种方法能有效提升系统的控制性能。

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出一种基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器，通过改变增益解决了传统扩张状态观测器在观测初始阶段，系统状态量实际值与估计值误差较大，以及受高增益的影响，导致扰动估计输出出现很大的峰值的问题，从而在保证观测精度的同时可以有效抑制初始时刻的峰值现象，使转速响应无超调。

本发明采用如下技术方案：基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器，其特征在于，包括线性跟踪微分控制器LTD、新型扩张状态观测器ESO、线性状态误差反馈控制律LSEF，所述线性跟踪微分控制器LTD接输入转速给定信号ω_ref后安排过渡，获得光滑过渡信号

所述线性跟踪微分控制器LTD的输出信号

与所述新型扩张状态观测器ESO中的一个反馈信号

进行比较，得出系统误差e；将所述系统误差e作为所述线性状态误差反馈控制律LSEF的输入信号；将系统的总扰动扩张成一个状态，所述新型扩张状态观测器ESO观测总扰动并实时补偿，最终获得永磁同步电机的转速输出ω_r。

作为一种较佳的实施例，所述永磁同步电机的电磁转矩和运动方程为：

其中：T_e为电机的电磁转矩，p为电机的极对数，ψ_f为转子磁链，i_q为定子q轴电流，T_L为电机的负载转矩，B为电机的摩擦因数，ω_r为转子角速度，J为转动惯量；

联立式(1)、式(2)得：

将式(3)改写为：

其中：

为转速环的总扰动量，b₀为可调参数。

作为一种较佳的实施例，所述线性跟踪微分控制器LTD用于安排期望的转速过渡过程和抑制超调，所述性跟踪微分控制器LTD用来缓和用连续变化的转速反馈去跟随不连续变化的转速阶跃给定的矛盾。

作为一种较佳的实施例，所述线性跟踪微分控制器LT D的控制函数为：

其中：τ为惯性时间常数，τ越大抑制超调的能力越强，反之越弱。

作为一种较佳的实施例，所述新型扩张状态观测器ESO负责对所述永磁同步电机的转速环内外总扰动的实时观测，并利用所述线性状态误差反馈控制律LSEF对总扰动进行精确补偿即可消除不确定性对系统的影响，从而使得所述永磁同步电机的转速环实现完全解耦。

作为一种较佳的实施例，所述新型扩张状态观测器ESO的计算模型为：

其中：

为x₁、x₂的观测值，L＝[l₁(t) l₂(t)]^T为观测器的增益矩阵；

将式(5)展开，可得：

根据式(6)得出转速环总扰动量观测值的大小。

作为一种较佳的实施例，所述线性状态误差反馈控制律LSEF用来把所述线性跟踪微分控制器LTD和所述新型扩张状态观测器ESO产生的状态变量与估计之间的误差进行线性组合，具体函数如下：

扰动补偿不区分系统内扰和外扰，将所有扰动以及速度和张力之间的耦合影响视为系统总扰动并补偿，算法如下：

其中：u₀为未加扰动补偿时的控制信号；u为控制信号；

为系统总扰动补偿分量。

本发明所达到的有益效果：第一，本发明提出并设计了一种基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器，通过改变增益解决了传统扩张状态观测器在观测初始阶段，系统状态量实际值与估计值误差较大，以及受高增益的影响，导致扰动估计输出出现很大的峰值的问题，从而在保证观测精度的同时可以有效抑制初始时刻的峰值现象，使转速响应无超调；第二，本发明采用线性跟踪微分器处理参考输入，采用新型扩张状态观测器估计系统状态扰动、模型不确定性和外部扰动，采用线性状态误差反馈组合处理输出信号，能够实现对永磁同步电机良好的控制；第三，本发明通过MATLAB-Simulink环境下的仿真和试验结果表明，新型扩张状态观测器在保证观测精度的同时可以有效抑制初始时刻的峰值现象，从而使永磁同步电机转速响应无超调，具有很高的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明的基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器的结构框图；

图2是本发明的新型扩张状态观测器ESO的结构框图；

图3是传统扩张状态观测器和新型扩张状态观测器ESO的速度阶跃响应波形图；

图4是传统扩张状态观测器和新型扩张状态观测器ESO的速度方波响应波形图；

图5是传统扩张状态观测器和新型扩张状态观测器ESO突加干扰的速度响应波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提出基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器，其特征在于，包括线性跟踪微分控制器LTD、新型扩张状态观测器ESO、线性状态误差反馈控制律LSEF，所述线性跟踪微分控制器LTD接输入转速给定信号ω_ref后安排过渡，获得光滑过渡信号

所述线性跟踪微分控制器LTD的输出信号

与所述新型扩张状态观测器ESO中的一个反馈信号

进行比较，得出系统误差e；将所述系统误差e作为所述线性状态误差反馈控制律LSEF的输入信号；将系统的总扰动扩张成一个状态，所述新型扩张状态观测器ESO观测总扰动并实时补偿，最终获得永磁同步电机的转速输出ω_r。

作为一种较佳的实施例，所述永磁同步电机的电磁转矩和运动方程为：

其中：T_e为电机的电磁转矩，p为电机的极对数，ψ_f为转子磁链，i_q为定子q轴电流，T_L为电机的负载转矩，B为电机的摩擦因数，ω_r为转子角速度，J为转动惯量；

联立式(1)、式(2)得：

将式(3)改写为：

其中：

为转速环的总扰动量，b₀为可调参数。

作为一种较佳的实施例，所述线性跟踪微分控制器LTD用于安排期望的转速过渡过程和抑制超调，所述性跟踪微分控制器LTD用来缓和用连续变化的转速反馈去跟随不连续变化的转速阶跃给定的矛盾。

作为一种较佳的实施例，所述线性跟踪微分控制器LT D的控制函数为：

其中：τ为惯性时间常数，τ越大抑制超调的能力越强，反之越弱。

作为一种较佳的实施例，所述新型扩张状态观测器ESO负责对所述永磁同步电机的转速环内外总扰动的实时观测，并利用所述线性状态误差反馈控制律LSEF对总扰动进行精确补偿即可消除不确定性对系统的影响，从而使得所述永磁同步电机的转速环实现完全解耦。

作为一种较佳的实施例，所述新型扩张状态观测器ESO的计算模型为：

其中：

为x₁、x₂的观测值，L＝[l₁(t)l₂(t)]^T为观测器的增益矩阵；

将式(5)展开，可得：

根据式(6)得出转速环总扰动量观测值的大小。

作为一种较佳的实施例，所述线性状态误差反馈控制律LSEF用来把所述线性跟踪微分控制器LTD和所述新型扩张状态观测器ESO产生的状态变量与估计之间的误差进行线性组合，具体函数如下：

扰动补偿不区分系统内扰和外扰，将所有扰动以及速度和张力之间的耦合影响视为系统总扰动并补偿，算法如下：

其中：u₀为未加扰动补偿时的控制信号；u为控制信号；

为系统总扰动补偿分量。

本实施中，对如下的永磁同步电机进行MATLAB-Simulink建模和仿真研究，电机参数见表1。将所设计的新型扩张状态观测器应用在以该电机为执行机构的交流伺服系统转速环中，在MATLAB-Simulink环境下搭建永磁同步电机交流伺服系统的仿真模型，对系统进行系列仿真，验证该新型扩张状态观测器的动、静态性能，自抗扰控制器的参数见表2，仿真结果如图3、图4和图5所示。

表1实验永磁同步电机参数

表2自抗扰控制器的参数

注：其中ω_cv为速度闭环带宽，ω_n(t)＝ω_ovω(t)，ω_ov表示观测器带宽，

取ω_ov＝5～10ω_cv。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本专业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施的限制，上述实施和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同。